摘 要

以汽轮机为主推进系统的舰船在运行途中，锅炉汽包的蒸汽压力和锅炉炉膛的实际燃烧效率是保证船舶安全、稳定和经济运行的重要指标。本文设计一套主锅炉燃烧控制系统，通过控制锅炉汽包蒸汽压力及风油比等热工参数，提升燃油燃烧效率，改善锅炉工作的稳定性和经济性。

本文将通过研究船用主锅炉燃烧系统控制过程，在现有的燃油主锅炉运行和控制设备的基础上，以ABB AC800M控制器建立燃油锅炉DCS控制系统，采用自适应模糊PID控制策略实现锅炉主蒸汽压力稳定，来解决对主锅炉及其辅助设备运行参数的调控、监测、报警及联锁保护等功能，保证锅炉设备准确、平稳、快速的工作。

为此，将完成以下工作：

(1)根据舰船燃油主锅炉的总体结构及工作流程，分析蒸汽压力控制回路和燃油控制回路以及风压控制回路的控制需求，设计出燃油主锅炉燃烧控制系统的回路。

(2)根据燃烧系统的控制需求，锅炉设计燃烧控制器。

(3) 根据所选的PID算法以及得到的风油比函数来使用AC800M系统软件编程出锅炉燃烧控制时序图以及系统控制算法，设计出燃烧控制系统程序。

关键词：船舶燃油主锅炉、燃烧控制、自适应整定模糊PID控制、AC800M控制器

Abstract

The steam pressure of the boiler drum and the actual combustion efficiency of the boiler furnace are important indicators to ensure the safe, stable and economic operation of the ship with the steam turbine as the main propulsion system. It is necessary to design an advanced combustion control system for the main boiler to control the stability of steam pressure in the boiler drum, to improve the combustion efficiency of fuel and to improve the stability and economy of the boiler.

This paper will study the control process of the combustion system of the main marine boiler. Based on the existing operation and control equipment of the main oil-fired boiler, the DCS control system of the oil-fired boiler is established by using ABB AC800M controller, and the self-adaptive tuning fuzzy PID control strategy is adopted to solve the functions of regulating, monitoring, alarming and interlocking protection of the operation parameters of the main boiler and its auxiliary equipment. Ensure that the boiler equipment works accurately, smoothly and quickly.To this end, the following tasks will be completed:

(1) According to the overall structure of the main oil-fired boiler of the naval ship, according to the working flow of the boiler, the control requirements of the steam pressure control loop, combustion control loop and air pressure control loop, the circuit of the combustion control system of the main oil-fired boiler is designed.

(2) Select appropriate ABB AC800M hardware according to the control requirements of combustion system.

(3) According to the selected PID algorithm and the obtained air-oil ratio function, the time sequence diagram and system control algorithm of boiler combustion control are programmed with AC800M system software, and the program of combustion control system is designed.

Key words: marine oil-fired main boiler、 adaptive tuning fuzzy PID control、 AC800M controller

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要研究内容及目标 2

1.3.1研究目标 2

1.3.1研究内容 2

第2章 船舶燃油主锅炉结构 3

2.1锅炉本体结构^[4] 3

2.2辅助系统结构 4

2.3本章小结 5

第3章燃烧控制策略的选择和实现 6

3.1燃烧控制需求分析 6

3.2控制系统总体设计 6

3.3蒸汽压力控制策略 7

3.4模糊自适应整定PID控制工作原理 8

3.5燃烧效率控制策略 9

3.6本章小结 10

第4章锅炉燃烧控制器设计 11

4.1 ABB AC800M控制器基本介绍 11

4.2控制仪表选择 12

4.2.1压力仪表选择 12

4.2.2温度仪表选择 12

4.3 ABB AC800M控制器硬件选型及系统及系统硬件构图^[9] 12

4.4 蒸汽压力模糊自适应整定PID控制方法^[12][10] 14

4.5燃烧效率控制^[7] 19

4.6 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

船舶主推进动力装置有船舶“船舶心脏”之称，是船舶完成航行任务的关键设备。传统的锅炉的控制主要以电动单元组合仪表检测与控制，还是以检测报警为主，这种控制方式多依赖于运行人员的经验。控制为辅助功能随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能，特别是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用，以DCS为控制系统的燃油主锅炉燃烧控制系统在舰船蒸汽动力装置控制系统大量应用。

锅炉汽包的蒸汽压力和锅炉炉膛的实际燃烧效率是保证船舶安全、稳定和经济运行的重要指标，采用传统的单凭经验的人工调节或者简单的PI、PID调节则难以满足需求，人工控制不仅加大了操作工人的劳动强度，难以使锅炉处于良好的工况，运行效率低下，降低了锅炉的热效率，简单设置的P、I参数过小会给系统工作带来一些不利因素，如变工况时被调量超调过大，油、风量波动幅度加大，稳定工况时被调量变化频繁,蒸汽压力不易稳定。^[15]所以设计一套先进的主锅炉燃烧控制系统，控制锅炉汽包蒸汽压力的稳定，提升燃油的燃烧效率，改善锅炉的稳定性和经济性，是保证船舶高效运行的有效途径的必要保证。

本设计针对主锅炉燃烧控制系统系统，设计基于ABB AC800M为控制器的燃烧控制系统，以实现控制锅炉汽包蒸汽压力的稳定，提升燃油的燃烧效率，改善锅炉的稳定性和经济性。

1.2国内外研究现状

锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，苏、美、英、法等老牌工业强国都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。当时对锅炉的控制主要为使用气动仪表自动控制。随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，到了20世纪70年代，许多发达国家相继开发出了锅炉计算机控制系统，发展到现代，锅炉的控制已基本实现了计算机自动控制。计算机的应用使机组运行的安全可靠性得到了进一步的提高。提高机组运行的经济性。自动化仪表能保护机组在良好的状态下运行。因此，可以减少事故停机的损失和设备检修费用，可提高热效率，降低能耗。机组实现自动启停，可缩短启停时间，因而使各种热损失及工质损失都大为减少

在国内，由于过去工业技术基础薄弱，经济水平底下，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。改革开放后，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。进入本世纪以来，随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，我国在人工智能技术方面已经走在世界前列，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用条件已经成熟。^[12]

1.3主要研究内容及目标

1.3.1研究目标

舰船运行途中，锅炉汽包的蒸汽压力和锅炉炉膛的实际燃烧效率是保证舰船安全、稳定和经济运行的重要指标。锅炉结构的日益复杂，舰船燃油主锅炉运行工况变化剧烈，使蒸汽压力动态误差和调节时间的控制需求增高；传统的定比例控制和普通PID定值控制已经很难满足控制系统的需求，因而采用先进的控制策略和控制器，提升锅炉汽包蒸汽压力控制的动态精度和调节速度，并通过控制锅炉的燃烧效率，降低锅炉的燃油消耗，是提升锅炉运行高效性和经济性的有效途径。

本文将采用一种先进的自适应迷糊整定PID控制，对船舶主锅炉燃烧控制系统进行设计，实现上述所需的燃烧控制需求。

1.3.2研究内容

（1）查阅相关资料，了解燃油主锅炉的结构部件及其功能。

（2）设计一套基于DCS控制系统，实现对燃油主锅炉及其辅助设备运行参数的调控、监测、报警及联锁保护等功能,保证锅炉设备准确、平稳、快速的工作

（3）基于ABB AC800M控制器平台对燃油主锅炉燃烧控制系统程序编写和调试。

第2章 船舶燃油主锅炉结构

燃油锅炉是蒸汽动力装置的核心装备，与一般锅炉不同，船舶主锅炉对其主要运行参数的稳定性要求较高，其设计总体结构相比于其他锅炉要复杂得多。在设计主锅炉燃烧控制系统时，先要对锅炉本体总体结构进行分析。

燃烧系统主要包括锅炉本体以及辅助系统，由锅炉本体来负责燃油的燃烧、热能的传递和工质的转化，辅助系统则负责监测系统输出量和控制系统输入量。

2.1锅炉本体结构^[4]

D型水管锅炉由于其结构布置上的合理性，且具有蒸发率较高、蒸发量大、效率高等特点，经过不断的发展与完善，其在船舶蒸汽动力装置上得到广泛应用。

图2.1 D型水管锅炉结构图

(1)汽包

汽包是锅炉储存水和蒸汽的地方，其作用是接收供水系统中的不饱和水，与汽包内的饱和水混合，然后输送至下降管。然后从立管接收饱和水和饱和蒸汽，将蒸汽和水分离，然后将饱和蒸汽输送至过热器，最后输送至负载，与此同时，汽包内的液相区和气相区可以起到惯性环节的作用，提高锅炉汽压和水位控制的稳定性。

(2)炉膛

炉膛是燃油进行燃烧的场所，供油系统将燃油喷入炉膛内部，与供风系统输送的新鲜空气充分混合后，在炉膛里进行充分的燃烧。炉膛由耐火砖墙和水冷壁组成，可以保证炉膛燃烧的安全性，并使燃烧产生的热量和烟气不流失到炉膛外部。燃烧产生的热量辐射到水冷壁，对水冷壁内部的工质进行加热，剩余热量伴随烟气输送到炉膛其他部件进行对流换热后，通过排烟系统排出。

(3)下降管，上升管和水冷壁

锅炉下降管将给水系统供给的不饱和水和锅炉汽包内部的饱和水混合后，输送到水冷壁处进行加热。

水冷壁是指铺设在炉膛内壁上的沸水管束，通过吸收锅炉炉膛燃烧的高温辐射热量对水冷壁内部的工质进行加热。水冷壁是受热面的重要组成部分，自身热负荷较高，同时吸收炉膛的高温辐射热量，保护锅炉炉壁上的耐火砖不至于过热而损坏。水冷壁大约可以吸收炉膛燃油燃烧总焓值的1/2-1/3，使烟气温度大幅度下降后，离开炉膛进入锅炉后面的机构中。吸收的热量将下降管传送过来的工质，变成饱和水和饱和水蒸气后，送往上升管。

上升管通过接受水冷壁加热后的工质，将工质分离为饱和水和饱和水蒸气，然后分别送往汽包，实现汽水分离。

2.2辅助系统结构

燃油锅炉的辅助系统主要由燃油供给系统、供风系统以及监控仪表组成。

(1)燃油供给系统

燃油主锅炉的燃油供给系统组成包括由电动供油泵、汽轮供油泵、高压油泵、喷油器以及电点火器等部件组成。电动供油泵的工作是在锅炉启动时负责锅炉的供油，锅炉启动，气压稳定后，切换到汽轮供油泵。燃油经过供油泵输出到高压油泵进行增压，然后进入喷油器。喷油器的作用主要有两点：一是控制和调节进入炉内的燃油总量，二是将燃油进行雾化处理，然后与新鲜空气进行混合从而保证燃油在炉膛内的充分燃烧。电点火器的左右是点燃燃油进行燃烧。

(2)供风系统

通风系统主要作用是将外界新鲜空气引入炉膛内部，与燃油充分混合后进行燃烧反应，然后将烟气从炉膛中排出排出。供风系统由供风通道、汽轮风机、电动风机以及风门调节阀组成，电动风机在锅炉启动和紧急状况下保证炉膛供风，锅炉汽包压力建立后，汽轮风机启动，电动风机关闭；供风系统通过风门调节阀改变供风量，保证炉膛内燃油稳定和充分的燃烧。

(3)锅炉的监测仪表和自动控制设备

锅炉的监测仪表和自动控制设备是了解锅炉运行状态，调节锅炉运行工况，保证锅炉安全、高效、经济工作的重要设备。监测仪表主要用于对锅炉基本运行参数的监测，包括：汽包水位计、饱和蒸汽压力表、烟气含氧量检测仪、火焰检测仪等。锅炉的自动控制设备主要是指DCS控制系统和锅炉运行参数控制的执行机构，主要指：供油机构、供风机构和供水机构。

2.3本章小结

本章通过分析锅炉的工作流程和总体结构，了解锅炉蒸气压力和锅炉燃烧效率两个主要调节指标的控制需求，结合锅炉燃烧系统实际工作流程，先进的模糊自适应整定PID控制，提出了新的控制策略，设计了控制系统的总体结构，用于提高锅炉控制系统的经济性和稳定性。

第3章燃烧控制策略的选择和实现

本章将介绍针对燃油主锅炉燃烧控制系统实现策略，并根据锅炉控制需求选择合适的PID以及燃烧控制手段来达到对燃油主锅炉燃烧控制系统对锅炉运行过程中改善经济性与稳定性的要求，保证锅炉设备准确、平稳、快速的工作的方法。

3.1燃烧控制需求分析

燃油锅炉是复杂的热工系统，具有强干扰、非线性和时变性的特点。锅炉燃烧控制的主要目的是保持蒸汽压力的稳定，保证锅炉的燃烧效率，提升锅炉运行的快速性、稳定性和经济性。根据控制量的不同，在此设计中，将燃烧控制系统的基本任务分为两个个部分：

(1)保证燃油燃烧产生的热量满足锅炉蒸汽负荷的需要，维持蒸汽量的稳定。(2)保证锅炉的燃烧效率稳定在最优值附近，提高锅炉运行的经济性。

根据此燃烧需求，可以将燃油锅炉控制系统划分为两个控制系统。即蒸汽压力控制系统以及燃烧效率控制系统，本文将针对蒸汽压力控制以及燃烧效率控制进行研究。

蒸汽压力值的变化，主要取决于炉膛燃油的供给量，供给量越大，燃烧的强度越大，则产生的蒸汽越多，蒸汽压力越大；所以蒸汽压力控制的重点在于调节锅炉的供油量，从而改变锅炉的蒸汽总量，维持蒸汽压力值在设定范围内，保证锅炉的正常运行。

锅炉的燃烧效率主要通过控制锅炉的供风量和供油量的比值，即锅炉的风油比来实现。采用固定的风油比系数会严重影响锅炉的燃烧效率，所以燃烧效率控制重点在于锅炉运行中不同时刻的供风量和供油量比例系数取值。

3.2控制系统总体设计

图3.1 燃油主锅炉燃烧控制系统框图

本设计基于ABB AC800M控制器实现的燃油主锅炉燃烧控制系统。该系统由两个控制回路组成，如图3.1所示。其中一个回路根据主过热蒸汽压力给定值与实际蒸汽压力值的偏差信号反馈回到AC800M控制器，控制器运用PID调节使锅炉在不同负荷下，气压都能稳定在一个给定值上从而保证主锅炉蒸汽压力的稳定，蒸汽压力过低时会导致蒸汽品质下降，不满足符合要求，而当蒸汽压力过高时，会加速金属的蠕变，维持蒸汽压力在一定范围内是锅炉安全运行的需要，也是保证燃烧经济性的需要。当蒸汽压力信号传入时作用于流量调节阀，调节其开度的大小，使燃油流量与蒸汽压力信号相适宜，从而控制燃油流量的大小进入到炉膛中与空气进行燃烧。

另一条回路在燃油油量经过AC800M控制器后进行油量测定，通过风油比函数，计算出最佳风油比，确定合适的风压，减少燃烧损失，如果燃油量与空气比例不恰当时，比如空气量不足，则会使燃油燃烧不充分，导致燃烧效率降低，若空气量过多时，多余的空气在排烟时容易带走过多的热量，会产生热量损失，也会导致燃烧降低。在接受到风压的信号后，风机开始运转，通过风压给定值与实际风压值的偏差信号反馈至PID调节器，改变汽轮机的转速从而改变风压的大小，进而使炉膛内充入合适的风量从而实现经济燃烧，提高燃烧效率。

3.3蒸汽压力控制策略

在锅炉的运行中，保持汽包蒸汽压力维持在一定范围内，是保证锅炉和其负荷设备正常工作的关键，蒸汽压力过低时会导致蒸汽品质下降，不满足符合要求，而当蒸汽压力过高时，则会加速金属的蠕变，维持蒸汽压力在一定范围内是锅炉安全运行的需要，也是保证燃烧经济性的需要。蒸汽压力值的变化量，主要取决于炉膛燃油的供给量，燃烧的强度越大，则产生的蒸汽越多，蒸汽压力越大，通过调节锅炉的供油量，改变锅炉的蒸汽总量，维持蒸汽压力值在设定范围内，保证锅炉的正常运行。

针对锅炉燃烧控制，本文将采用ABBAC800M采集锅炉燃烧系统运行时的各类参数，并选取合适的控制算法进行分析，输出控制信号到执行机构，实现燃烧控制各子系统的稳定控制，提高锅炉运行的稳定性和经济性。

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